火災荷載比對約束PEC柱（繞弱軸）抗火性能影響研究

高宇，毛小勇

（蘇州科技大學江蘇省結構工程重點實驗室，江蘇　蘇州　215011）

火災荷載比對約束PEC柱（繞弱軸）抗火性能影響研究

高宇，毛小勇

（蘇州科技大學江蘇省結構工程重點實驗室，江蘇蘇州215011）

應用有限元軟件ABAQUS建立了包含部分樓板、梁、柱的約束PEC柱子結構溫度場和力學分析模型，應用約束PEC柱的抗火試驗數(shù)據(jù)驗證了模型的合理性。采用上述子結構模型分析了火災荷載比對約束PEC軸壓柱和偏壓柱的受力性能及耐火極限的影響規(guī)律。結果表明:隨著火災荷載比的增大，約束PEC軸壓柱和偏壓柱的軸向變形峰值和軸力系數(shù)峰值均減小。在相同的火災荷載比下，約束PEC偏壓柱的軸力變化系數(shù)峰值比軸壓柱大，并且受火災荷載比的影響也大；約束PEC偏壓柱的軸向位移峰值比軸壓柱大，但受火災荷載比的影響卻比軸壓柱小。火災荷載比是影響約束PEC柱耐火極限的重要參數(shù)，約束PEC偏壓柱的耐火極限相對于軸壓柱有所提高，受火災荷載比的影響比軸壓柱略大。

約束PEC柱；子結構；受火性能；耐火極限；荷載比

H型鋼部分包裹混凝土柱（Partially Encased Concrete Columns，PEC），是在H型鋼兩翼緣之間填充混凝土而形成的一種新型組合柱。這種柱翼緣相對較薄，節(jié)省模板，施工便捷，具有比鋼柱更高的承載能力和延性，其抗火性能也要優(yōu)于無防火保護的型鋼柱。此外，這種新型組合柱不僅可以直接應用于新建的多高層結構，還可以用于已有鋼結構柱的加固與改造，具有良好的應用前景。然而，由于型鋼翼緣外露，在火災中極易發(fā)生屈曲，進而引起混凝土的壓碎，導致柱強度和剛度急劇下降，因此PEC柱的耐火性能受到國內外學者的關注。

目前，國外學者對火災下PEC柱的抗火性能已經(jīng)開展了一些試驗研究和理論分析工作。Wainman等進行了無約束PEC柱耐火極限試驗研究，為歐洲規(guī)范中PEC柱的抗火設計提供了依據(jù)［1］。Correia和Rodrigues等開展了同時具有軸向約束和彎曲約束的PEC柱的抗火性能試驗研究［2-3］，結果表明，當荷載比較小時，約束剛度的增大會使柱的耐火極限降低；但是當荷載比較大時并沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象。此外，德國規(guī)范和歐洲規(guī)范以圖表的形式給出了PEC柱抗火設計內容，圖表中對不同耐火極限要求下構件的最大翼緣寬厚比、最小截面尺寸、配筋要求等做了具體規(guī)定。總體上看，目前對PEC柱抗火性能研究以無約束、單個構件的耐火性能和設計為主，對約束條件下PEC柱的抗火性能也有了一定研究；但受模型的限制，考慮的約束條件與實際情況還有一些差異。

為了更加真實地反映框架結構中PEC柱在實際約束和邊界條件下的抗火性能，采用子結構方法建立了包含部分樓板、梁、柱的約束PEC子結構的有限元模型，可以全面考慮柱端軸向約束和彎曲約束效應，更加精確地模擬柱端連續(xù)性條件。采用此模型重點分析了火災荷載比對約束PEC柱的耐火極限及受力性能的影響。

1　約束PEC柱子結構有限元模型簡介

1.1子結構的確定

研究對象為圖1所示的約束PEC柱子結構，由柱和與其相連的梁及樓板組成，其它層的軸向約束效應采用柱頂彈簧代替，不考慮遠端梁、柱的彎曲約束影響。采用ISO834標準升溫曲線，受火區(qū)域PEC柱為四面受火，考慮局部火災的情況，與柱上端相連的梁板下部受火，與柱下端相連的梁板上部受火。一般框架的耐火等級為二級，梁的耐火極限為1.5 h，根據(jù)《高層民用建筑設計防火規(guī)范》，鋼梁防火保護選用厚涂型鋼結構防火涂料，保護層厚度20mm［4-5］。

圖1　約束PEC柱子結構選取

1.2材料熱工參數(shù)及高溫本構關系

鋼材和混凝土的熱工參數(shù)及高溫本構關系采用歐洲規(guī)范EC3和EC4建議的模型［6-7］。混凝土高溫下的抗拉應力-應變采用文獻［8］中給出的簡化模型。

鋼梁防火涂料的熱工參數(shù)——密度:500 kg/m3；比熱容:1 200 J/kg·℃；導熱系數(shù):0.09W/m·K。

1.3有限元模型及網(wǎng)格劃分

應用ABAQUS軟件中的順序熱-力耦合功能進行PEC柱子結構模型的火災性能分析，即首先進行構件溫度場計算，然后將溫度場的計算結果引入后續(xù)的結構分析模型中。

子結構的有限元模型如圖2所示。溫度場分析時，受火鋼梁、涂料、型鋼和混凝土采用DC3D8，鋼筋采用DC1D2。高溫力學性能分析時，采用與溫度場分析相同的網(wǎng)格劃分，受火鋼梁、涂料、型鋼和混凝土采用C3D8R，鋼筋采用T3D2。采用彈簧來模擬軸向約束，其變形方向為軸向方向。彈簧的虛擬端節(jié)點受三方向位移約束，其剛度大小在彈簧屬性里定義。模型基本參數(shù)和截面尺寸見表1。

圖2　約束PEC柱子結構有限元模型

表1　模型尺寸

1.4有限元模型的驗證

采用文獻［9］中約束PEC柱抗火試驗數(shù)據(jù)對上述模型進行驗證，試件參數(shù)見表2。試件PEC-1為軸心加載，試件PEC-2除了承受軸力外，還施加有端部彎矩。試件均為四面受火，并受到軸向約束。試件底部固結，上部鉸接。

表2　試件參數(shù)

圖3為模擬結果和試驗結果的對比情況。從圖3可見，溫度場的模擬結果與試驗結果吻合良好。軸向位移模擬曲線和試驗曲線大致形狀基本一致，軸向變形回歸到初始值對應的時刻與試驗值基本相同，但是軸向位移峰值高于試驗值。主要是由于試驗過程中混凝土發(fā)生了爆裂，截面尺寸變小，吸熱能力變差，相同受火條件下截面溫度越高，構件承載能力下降越快。而由于爆裂發(fā)生的隨機性和不確定性很大，很難對其在理論上進行定量分析，本文的有限元分析中并未考慮混凝土爆裂的影響。

圖3　模擬計算與試驗結果比較

2　火災荷載比對約束PEC柱耐火極限影響

利用上述模型，對基于子結構的約束PEC柱在軸心力作用下和在偏心率e=0.2的偏心荷載作用下的軸力變形特點及耐火極限進行分析，比較火災荷載比的影響情況。

共采用了3種上部樓層數(shù)m（對應一定的軸向約束剛度），4種火災荷載比μ。樓層數(shù)對應的約束剛度算法參照文獻［10］，即用公式k=（m+1）·12EI/L3來計算約束剛度k。火災荷載比μ=P0/Pu，其中P0為常溫下柱的軸力，Pu為常溫下柱的極限承載力，具體參數(shù)見表3。文中的軸力變化系數(shù)定義為P（t）/P0，其中P（t）為升溫過程中PEC柱中軸力，P0為柱初始軸力。

表3　火災荷載比參數(shù)表

2.1火災荷載比對軸力變化系數(shù)的影響

圖4（a）為軸心力作用下不同火災荷載比下軸力變化曲線，圖5（a）為e=0.2的偏心荷載作用下不同火災荷載比下軸力變化曲線。由圖可見，在相同的上部樓層數(shù)下（即柱子所受到上部樓層提供的軸向約束剛度相同），約束PEC軸壓柱和偏壓柱的軸力變化系數(shù)都隨著升溫時間的增加出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，隨著荷載比的增大，柱軸力變化系數(shù)峰值明顯降低。

圖6（a）為軸壓和偏壓兩種情況下火災荷載比對軸力變化系數(shù)峰值影響程度的對比。在相同的火災荷載比下，偏心荷載作用下子結構的軸力比峰值比軸力作用下的大，并且從圖中線段的斜率來判斷其受火災荷載比的影響也比軸力作用下的大。

2.2火災荷載比對軸向位移的影響

圖4（b）為軸力作用下不同火災荷載比下軸向位移變化曲線，圖5（b）為e=0.2的偏心荷載作用下不同火災荷載比下軸向位移變化曲線。由圖可見，在相同的上部樓層數(shù)下，隨著升溫時間的增加，兩種不同形式的荷載作用下軸向位移均出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，隨著荷載比的增加，柱最大膨脹變形逐漸減小，達到最大軸向膨脹變形的時間也逐漸縮短。這是由于火災荷載比越大，柱高溫下的瞬態(tài)熱應變和應力應變就越顯著，可以抵消一部分柱自由膨脹變形。

圖6（b）為軸壓和偏壓這兩種情況下火災荷載比對軸向位移峰值影響程度的對比曲線。由圖可見:在相同的火災荷載比下，偏心荷載作用下子結構的軸向位移峰值比軸力作用下的大，但是從圖中線段的斜率來判斷，其受火災荷載比的影響卻比軸力作用下的要小。

3　火災荷載比對耐火極限的影響分析

目前關于高溫下約束柱的耐火極限還沒有統(tǒng)一的標準，不少學者以約束柱軸力恢復至初始軸力的時間為其耐火極限，參照此原則定義約束PEC柱的耐火極限。在實際火災中，隨著溫度的升高，受火構件強度減弱，承載能力降低，必然導致整體結構發(fā)生內力重分布，一定條件下，受火構件中的軸力可能低于其常溫下的設計軸力。因此這種方法確定的耐火極限偏于保守。

圖7（a）為軸力作用下耐火極限隨火災荷載比變化的曲線，圖7（b）為e=0.2的偏心荷載作用下耐火極限跟隨火災荷載比變化的曲線。由圖可知，在這兩種情況下，火災荷載比對柱耐火極限影響都很大，在保持其他參數(shù)一定時耐火極限隨火災荷載比的增大而迅速降低。這是因為火災荷載比越大，鋼材和混凝土的應力水平越高，柱極限承載力富余就越少，火災下持續(xù)的時間就短。因此火災荷載比是影響約束PEC柱耐火性能的重要參數(shù)，嚴格控制火災荷載比是提高約束PEC軸壓柱和偏壓柱耐火極限的有效方法。

圖4　荷載比對軸力變化系數(shù)和軸向位移的影響（軸心作用）

圖5　荷載比對軸力變化系數(shù)和軸向位移的影響（偏心作用）

圖6　荷載比對軸力比峰值和軸向位移峰值的影響

圖7　荷載比對耐火極限的影響

表4　軸壓和偏壓下火災荷載比對耐火極限影響程度對比

4　結論

（1）隨著火災荷載比的增大，約束PEC軸壓柱和偏壓柱的軸向變形峰值和軸力系數(shù)峰值均減小；（2）在相同的火災荷載比下，約束PEC偏壓柱的軸力變化系數(shù)峰值比軸壓柱的大，并且受火災荷載比的影響也大；（3）在相同的火災荷載比下，約束PEC偏壓柱的軸向位移峰值比軸壓柱的大，但是其受火災荷載比的影響卻比軸壓柱小；（4）火災荷載比是影響約束PEC柱耐火性能的重要參數(shù)，嚴格控制火災荷載比是提高約束PEC軸壓柱和偏壓柱耐火極限的有效方法；（5）約束PEC偏壓柱的耐火極限相對于軸壓柱有所提高，受火災荷載比的影響比軸力作用下的子結構略大。

［1］WAINMAN D E，TOMLINSON L N.BS476:Part 21，F(xiàn)ire resistance tests-summary of data obtained during tests on web encased columns［R］. 1994.

［2］KORZEN M，RODRIGUES JPC，CORREIA A M.Composite columnsmade of partially encased steelsections subjected to fire.Structures in Fire［R］.Proceedings of the Sixth International Conference，2010:341-348.

［3］CORREIA A M，RODRIGUES JPC.Fire resistance of partially encased steel columnswith restained thermal elongation［J］.Journal of Constructional Steel Research，2011，67:593-601.

［4］行盼娟，毛小勇，郜秋鵬.基于子結構模型的約束PEC柱抗火性能［J］.消防科學與技術，2013，32（7）:707-711.

［5］毛小勇，滿建政，金曉飛.約束PEC柱軸力變化規(guī)律及影響因素［J］.消防科學與技術，2012，31（5）:443-446.

［6］European Committee for Standardization.ENV1993-1-2 Eurocode 3，Design of Steel Structures［S］，1993.

［7］European Committee for Standardization.ENV1994-1-2 Eurocode 4，Design of Composite and Concrete Structures［S］，1994.

［8］M JTERRO.Numericalmodeling of the behavior of concrete structures in fire［J］.ACIStructural Journal，1998，95（2）:183-193.

［9］滿建政.約束PEC柱（弱軸）抗火性能研究［D］.蘇州:蘇州科技學院，2012.

［10］HUANG Z F，TAN K H.Rankine approach for fire resistance of axially-and-flexurally restrained steel columns［J］.Journal of Constructional Steel Research，2003，59（12）:1553-1571.

Influence of load ratio on the fire performance of restrained PEC columns（around theweak axis）

GAO Yu，MAO Xiaoyong
（Jiangsu Key Laboratory of Structural Engineering，SUST，Suzhou 215011，China）

By using the ABAQUS program，a finite elementmodel was established to calculate the temperature field and the mechanical behavior of the sub-structures composed of partial floor-slab，beams and restrained PEC columns，which was verified by fire test data.The verified model was used to analyze the behavior of the sub-structure subjected to the axial load and eccentric load under the fire condition，including the influence of load ratio under the fire strength on the mechanical behavior and the fire resistance limit.The research results show that the axial displacement and the axial force enhancement coefficientof the sub-structure subjected to the axial load and eccentric load both decrease due to an increase of the load ratio under fire.Under the same load ratio，the axial force enhancement coefficient of the PEC eccentric compression column is larger than that of the PEC axial compression column，and the influence of the load ratio is also greater than that of the PEC axial compression column；the axial displacement of the PEC eccentric compression column is larger than thatof PEC axial compression column，but it is less affected by the fire load ratio.The load ratio under the fire is an important parameter affecting the fire resistance of PEC columns；the fire resistance limit of the PEC eccentric compression column is larger than that of the PEC axial compression column，and the influence of the load ratio is slightly larger than that of axial compression column.

restrained PEC column；sub-structure；fire performance；load ratio

TU398

A

1672-0679（2016）03-0023-05

2016-02-29

國家自然科學基金項目（51278321）；江蘇省“六大高峰”人才項目（2012-JZ-004）；江蘇省“333工程”中青年學術帶頭人項目（2011-III-2217）

高宇（1991-），女，江蘇蘇州人，碩士研究生。

通信聯(lián)系人:毛小勇（1974-），男，教授，博士，主要從事組合結構抗火性能研究，E-mail:maoxiaoyong@yeah.net。

（責任編輯:秦中悅）